（载运工具运用工程专业论文）基于p87c591汽车车身can总线控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车工业的发展，来自消费者和政府相关部门对于安全、舒适、节能、 环保和多种功能的需求促使电子控制单元和系统广泛地应用在汽车中，而汽车也 随之日益向电子化、智能化发展特别是2 0 世纪9 0 年代以来，电子控制单元， 例如电子燃油喷射装置、防拖死制动装置( a b s ) 、安全气囊装置、空调装置等等 大量引入汽车，使得车内布线困难的问题越来越突出汽车网络的出现不仅解决 了日益复杂的线束布置问题，同时也给汽车的优化控制带来了质的飞跃。c a n ( 控 制器局域网) ，是2 0 世纪8 0 年代初德国b o s q i 公司提出为解决汽车内部众多控制 器与测量设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，属于现场总线的 范畴。 本文在参考大量资料并对车用网络进行深入分析的基础上，在众多汽车网络 标准的主流协议中，采用了具有高速、可靠、成本低、抗干扰、实时性强等优点 的c a n 总线网络协议。 论文首先自定义了符合汽车车身控制系统的c a n 高层协议，再从c n 总线车 身控制系统的基本拓扑结构和工作原理入手，对系统的硬件构成、参数选择、控 制方案及软件实现等问题进行了分析、研究，并在此基础上开发了基于p 8 7 c 5 9 1 的汽车车身c n 总线控制系统，基本实现了节点的自诊断功能、自我保护功能及 数据共享功能。 关键词：汽车车身电子控制系统；c a n 总线；通信协议 i i a b s t r a c t a 1 0 n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y ， t h ee l e c t r o n i c c o n t r 0 1u n i t sa i l ds y s t e m sa r eb r o a d l yu s e di n 叫t o b i l ef o rt h en e e do f s a f e t y ，c o m f o r t ，e c o n o m i z eo ne n e r g y ，e n v i r d 衄e n t a lp r o t e c t i o na i l dv a r i o u s f u n c t i o n 刊蚯c hd e r i v ef r 伽c o n s 岫e r 锄dg o v e 瑚e n t s ，w i t hi ta tt h es 锄e t i m ea u t 伽o b i l ea r ei n c r e a s i n 9 1 yd e v e l o p e dt ot h et r e n do fe l e c t r o n i c sa n d i n t e u i g e n c e e s p e c i a l l ys i n c e1 9 9 0 s ，曹i t he l e c t r o n i cc o n t r 0 1 衄i t s 鹊职i ， a b s ，s u p p l 朗e n t a li n f l a t a b l er e s t r a i n ts y s t 锄，t h ea i rc o n d i t i o ne q u i p m e n t a n ds oo n ， e x t e n s i v e l yu s e di na u t 衄o b i l e ， t h el e n g t ho f1 i n ei nt h e a u t o m o b i l eg e tv e r yf a s tg r o wa n dl a y o u tb e c 伽ev e r yd i f f i c u l t t h e e m e r g e n c eo ft h ea u t 伽o b i l e n e t 们r kn o to n l ys 0 1 v e dt h ei n c r e a s i n g l y c 伽p l i c a t e dp r o b l e m so ft h e1 a y o u t ，b u ta l s ob r o u g h tt h eq u a l i t y1 e a pt o t h ee x c e l l e n tc o n t r 0 1o fa u t o m o b i l e c a n ( c o n t r 0 1 l e ra r e an e t r o r k ) i sak i n d o ft h es e r i a ld a t ab u s 而i c h 船sp u tf o r w a r db yt h ec o m p 锄yo fb o s c hi n g e 珈a i l yi ne a r l y1 9 8 0 s ，讪o s em l r p o s e 张st os 0 1 v et h ep r o b l e mo ft h e 出r c a e x c h a n g eb e t w e e nn 珊e r o u sc o n t r o l l e r sa n dm e a s u r ee q u i p 皿e n t s ， i tb e l o n g s t of i e l d b u s 。 b a s e do nt h er e f e r e n c eo fl o t so fm a t e r i a l sa n dr e s e a r c ho fv e h i c l e n e t 们r k ，i nt h i sd e s i g n ，t h ep r o t o c o lo fa 悄一b u sn e t 们r kw i t hh i g hs p e e d ， c r e d i b i l i t y ， 1 a 冒c o s t ，a n t i i n t e r f e r e n c ea n ds t r o n gr e a l t i m ec o n t r 0 1i s a d o p t e d 锄o n gm 锄ym a i np r o t o c o l so fa u t 伽o t i v en e t w o r ks t 醐d a r d i nt h i st h e s i st h eh i g hc a nn e g o t i a t e 霄h i c hm a t c h e s t h ec a r r i a g e c o n t r 0 1s y s t 锄a r ed e f i n e df i r s t l yb ym y s e l f t h eb a s i ct o p 0 1 0 9 ya n d 们r k i n gt h e o r yo ft h ev e h i c l eb o d yc o n t r o ls y s t 蚀b a s e do nt h ec a 卜b u si s i n t r o d u c e d f 0 1 1 呷i n g ， t h ep a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ei s s u e so f h a r d w a r ec o m p o s i n g ， p a r 锄e t e rc h o i c ec o n t r 0 1 l i n gm e t h o d s ， 孤ds o f t w a r e i m p l e m e n t i n gi nt h es y s t e m ，锄do nt h i sf o u n d a t i o nid e s i g na s e to fv e h i c l e b o d yc a n b u sc o n t r 0 1s y s t e mb a s e do np 8 7 c 5 9 1 ，b a s i c a l l yr e a l i z et h e f u n c t i o no fa u t 伽a t i cd e t e c t i o n ， p r o t e c t i n ga i l dt h ed a t as l l a r ef u n c t i o n o fn o d e s k e y 肋s ：a u t 锄o t i v ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo f 卸t 伽o b i l eb o d i e s ； c a n - b u s ：c 锄岫i c a t i o np r o t o c o l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 科乏 日期：2 驴司年彳月孑日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： ，1 二 “、乞 日期：力司年4 月g 日 指导教师签名： 隰印年严月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 什么是现场总线嘲 现场总线技术是一种基于现场设备之间进行数据通讯的新型总线系统，它综 合了计算机技术、数字通讯技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等各种技 术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控 制的局限性，构成了一种全分散、全数字化、智能化双向、互连、多变量、多节 点的通信控制系统“1 因此，现场总线( f i e l d b u s ) 就是适用于过程自动化或制 造自动化的，实现智能化现场设备( 例如变送器、执行器、控制器) 与高层设备 ( 例如主机、网关、人机接口设备) 之间互联的全数字、串行、双向的通讯系统。 通过它可以实现跨网络的分布式控制。按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义， 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间 数字式、串行、多点通讯的数据总线。f i e l d b u s 体系结构模式如图1 1 所示。 图1 1f i i d 钆b 体系结构模式 f i 9 1 1f i e l d b u 8s t r u c t u r a l - 0 d e l 现场总线的本质含义主要表现在以下六个方面嘲： 现场通讯网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表或现场设 备互连的现场通信网络，是c i p s c i m s 的最底层，而传统的d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 的通信网络截止于控制站或输入输出单元。 现场设备互连：各种现场设备通过一对传输线互连，成为现场总线的各个节点， 现场设备有传感器、变送器、执行器、智能仪表和p l c 等。传输线可以使用双 绞线同轴电缆光纤和电源线等。 互操作性：在现场总线中，允许不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可 以统一组态构成用户所需要的性能价格比最优的控制回路，即实现“即接即 第一章绪论 2 用”。 分散功能块：现场总线把传统d c s 控制站的功能块分散地分配给各现场设备， 并可统一组态，从而构成虚拟控制站。用户可灵活选用各种功能块，构成所需 要的现场总线控制系统( f c s ，f i e l 曲u sc o n t r 0 1s y s t e m ) 实现通信网络与控 制系统的集成。 通信线供电：通信线供电允许现场装置直接从通信线上摄取能量，这种方式可 为用于本质安全环境的低功耗现场仪表或现场设备提供电源。 开放式互连网络：现场总线的技术和标准全是公开的，因此现场总线为开放式 互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，实现网络信息( 数 据库) 共享。 1 2 现场总线与汽车总线阴1 1 2 1 现场总线的产生背景 众所周知，汽车正在增加着越来越多的功能。各种不同的功能，需要众多独 立的控制单元来实现。如现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动系 统、防抱死制动系统、防滑控制系统、废气再循环控制、巡航系统、空调系统等 等。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享。现代豪 华车辆上可有多至8 0 个电子控制单元( e c 【i ) ，以满足其对舒适性、环保性和安全 性越来越高的要求。在传统电控系统设计中，难以实现系统信息共享及信息处理 的智能化，每增加一项功能都要为新的子系统建立相应的一对一的电缆连接，使 得分布车体各处的电缆尤其是主电缆束趋于庞大、沉重和昂贵，并进而导致设计、 安装、调试和维护的困难。因此汽车电子控制系统的传统结构已成为制约汽车功 能增加、性能提高和降低综合成本的瓶颈嘲 为了解决汽车测控系统中越来越多的数据交换问题，现场总线技术应运而生 了。现场总线( f i e l d b u s ) 技术将网络技术引入装置和系统，在装置和系统内部 的多个智能化的测控部件之间实现双向数字通信、共同协调地完成装置或系统既 定的测控任务，在车辆工程、制造工业、流程工业、楼字建筑等自动化系统中具 有广泛的应用前景。 1 2 2 现场总线技术的特点“明 现场总线控制系统与传统控制系统相比，具有以下几个特点旧； ( 1 ) 系统的灵活性：不需要改变任何节点的应用层及相关的软、硬件，就可 以在c a n 网络中直接添加节点。这给系统的扩展带来了灵活性； ( 2 ) 基于报文的多主网络：c a n 总线是1 个基于报文而不是站点地址的协议。 也就是说报文不是按照地址从一个节点传送到另一个节点。c a n 总线上每个节点 第一章绪论 发送的报文所包含的内容只有优先级标志区和欲传送的数据内容，其他节点都会 收到，并在正确接收后发出应答确认。至于该报文是否要做进一步的处理或被丢 弃将完全取决于接收节点本身。相比之下l l s 4 8 5 网络只能有1 个主节点，无法构成 多主冗余系统，导致系统可靠性差；而且主从结构从节点只有收到主节点的命令 后才能响应，一些重要信息得不到及时传送，致使系统灵活性差、实时性差； ( 3 ) 具有远端发送请求( 盯r ) 功能：即每个节点都可以主动要求其他节点 发送信息，而不是等待信息的到来。这对上一个主要特点，是一个重要补充。使 通信系统能主动控制信息传递的频繁程度，这又具备了主从网络结构的优点； ( 4 ) 强大的校验纠错能力：c a n 采用循环冗余码校验c r c 、框架检验、确认 信号出错检验、总线监控、位填充5 种错误检验和纠错措施，从而达到很高的可靠 性，平均误码率小于4 7 1 0 1 1 ，并且系统会对发送失败的报文自动重发，提高了 通信可靠性。i i s 4 8 5 通信只有奇偶校验，而通过协议进行校验，则会大大增加应用 者的软件工作量，并影响软件运行速度； ( 5 ) 采用独特的位仲裁技术：只要总线空闲，任何节点都可以发报文；若2 个或2 个以上的节点同时传送报文，则需要系统仲裁。在仲裁期间，每个发送器都 对发送位的电平与总线电平进行比较，若相同，则这个节点可以继续发送，否则 退出发送，信息由智能节点保存，等待总线空闲后，系统自动重发，以确保数据 不丢失。这种仲裁具有比主从网和令牌网更高的实时性、可靠性； ( 6 ) 强大的错误界定功能：可以把永久故障和短暂扰动区分开来，并且关闭 永久故障的节点，以确保剩余节点之间的通信； ( 7 ) c a n 总线上的器件可以处于睡眠状态，以停止内部活动及断开与总线驱 动器的连接。c a n 器件的唤醒可以由内部状态设置，也可由总线激活。 ( 8 ) c a n 只需要报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接受数据，无需专门的“调度” ( 9 ) c a n 总线通讯格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极 好的检错效果。每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业控制领域中控制命令、工 作状态及测试数据的一般要求。同时，8 位字节也不会占用太长的总线时间，从而 保证通讯的实时性。 1 2 3 汽车现场总线控制系统及其优点嘲 从上世纪八十年代初开始各大汽车厂商开始致力于汽车电子控制网络的开发 与研究。目前，绝大多数车用总线都被s e ( s o c i e t yo fa u t 伽o t i v ee n g i n e e r s ： 美国汽车工程师协会) 下属的汽车网络委员会按照协议特性划分为a 、b 、c 、d 四类1 。其中，a 类是面向传感器或执行器管理的低速网络，它传输数据的位速 率通常小于1 0 i ( b s ，主要用于调整后视镜、电动门窗、座椅调节和灯光照明等控 第一章绪论 4 制；b 类是面向独立模块问数据共享的中速网络，位速率一般为1 0 1 2 5 k b s 之 间，主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示和安全气囊等系统，以 减少冗余的传感器和其它电子部件；c 类面向高速、实时闭环控制的多路传输网， 最高位速率可达1 肋s ，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制和a b s 等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束，到目前为止，满足c 类网要 求的汽车控制局域网只有c a n 协议；d 类则是面向多媒体设备、高速数据流传输 的高性能网络，位速率一般在2 m b s 以上，主要用于c d 播放机、v c d d ，d 播放机 和液晶显示等设备 ( 1 ) a 类总线 大多数a 类总线都遵循u a r t ( u n i v e r a la s y n c l l r o n o u s r e c e i v e r t r a i l 锄i t t e r ：通用异步接收发送器) 标准，它用起来简单经济。它主 要用于车内对传输速率要求不是很高的地方，作为高速传输网络功能上的一种补 充，辅助高速网络实现车身控制的部分功能，以节省制造成本。a 类网络目前的 首选标准是l i n ( l o c a li n t e r c o 加e c tn e t w o r k ：本地内联网) ，它是一种低成本 的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。作为面向传感器和执 行器的低速网，该类网络有多种通讯协议，却没有一种协议能成为各大公司共同 遵循的标准。为了定义并实施一种用于a 类车用通信网的开放总线协议标准，1 9 9 8 年由a u d i 、m o t o r o l a 、跏霄、v c t 等公司成立了协会，在潜心研究a 类网已有协议 的基础上提出了l i n 协议标准。l i n 的目标是为现有高速汽车网络( 例如c a n 总 线) 提供辅助功能，因此l i n 总线作为一种辅助的总线网络，是现有多种汽车网 络在功能上的补充。由于能够提高质量降低成本，l i n 总线将是汽车分级网络的 启动因素，l i n 的标准化将简化多种现存的多点解决方案，且将降低在汽车电子 领域中的开发、生产、服务和后勤成本。 ( 2 ) b 类总线 b 类总线以c n 最为著名。c a n 是2 0 世纪8 0 年代中期由德国博世( b o s c h ) 公司为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数 据通信协议，不久便在业界内得到了推广普及。它的总线速率最高可达l 肋s ， 在b 类网络中应用速率一般在l o o k b s 左右，主要应用在汽车当中舒适性模块之 间的数据交换，同时作为c 类网络的网关，在高速网络和低速网络之间进行数据 交换。 ( 3 ) c 类总线 c 类总线主要用于车上动力传动系统中对通讯实时性要求比较高的场合，它 与汽车的性能和安全相关。因此他的传输速率要求一般在1 2 5 k b s 到1 胁s 之间， 并且支持周期性的参数传送。目前欧洲的汽车制造商一般采用支持高速c a n 总线 第一章绪论 5 标准的i s 0 1 1 8 9 8 。在大型客车及卡车上则采用j 1 9 3 9 协议。c 类网络中所用到的 c n 总线协议和b 类网络中的c a n 总线协议除了在速率上不一致外，其他一切相 同。而j 1 9 3 9 协议是供卡车、大客车、建筑设备以及农业设备使用的，是用来支 持分布在车辆各个不同位置的电控单元之间实现实时闭环控制功能的高速通信标 准，其传输速率为2 5 0 k b s 。 ( 4 ) d 类总线 所谓的d 类总线就是一些文献中提到的汽车当中的多媒体信息网络，它主要 分为三种类型：低速、高速和无线。对应的s a e 的分类相应的为： i d b - c ( i n t e l l i g e n td a t ab u s - c a n ) 、i d b _ m ( m i l l t i m e d i a ) 和i d b l r i r e l e s s 它主 要应用在汽车当中的语音系统、车载电话、音响、电视、车载计算机和g p s 导航 系统。其中低速系统主要应用在远程通信、诊断和通用信息的传送；高速系统主 要应用在实时的音频和视频系统中；无线通信系统将应用在汽车系统、生产工具 和服务工具之间的无线通信系统上。 1 3 现场总线技术的国内外发展现状“钉 早在8 0 年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及 应用，如博世的c a n ，s a e 的j 1 8 5 0 、马自达的p a 姗、德国大众的a b u s ，美国 商用机器的a u t o c a n 、i s o 的v a n 等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用 总线系统的车辆有b e n z ，酬w ，r o r s c l 也。r o l l s r o y c e ，j a g u a r ，v o l v 0 等。 在国外己基本普及的形势下，在我国除p a s s a t 等少数车型外均未采用该技 术。合资企业中的外方大都不转让这项技术以保证其自有产品的优势。为应对产 品市场开拓的需要和入关带来的影响，国内业界已注意到这项技术的潜在价值， 有预见地开发具有自主知识产权的车辆总线式测控技术，占领车辆设计和测控技 术的高地显得尤其重要。 作为一种重要的现场总线，c a n 协议己被国际标准化组织承认，进一步促进 了c n 总线在各种测控领域中的应用。 从应用的角度看，由于c n 总线本身的优点，它的应用范围己不再局限于汽 车行业，而向机械制造、纺织机构、农用机械、机器人，数控机床、医疗器械、 建筑物管理监控、火车、船舶、传感器等领域发展。随着计算机、通信和控制技 术的发展和多学科的融合，在应用领域还出现了将c a n 总线应用于构建计算机局 域网的新应用，如利用c a n 总线组成分权管理系统。 从对c a n 总线的研究角度来说，已经不仅仅只是简单的研究c a n 总线的基本 应用，而是将研究深入至传输介质、网络拓扑结构、错误判断及处理、节点数及 数据传输率和传输安全性等方面。 第一章绪论 6 目前，集成有c a n 协议的器件不断推出，应用范围同时迅速扩大。1 。表1 1 表示了目前主流的c a n 总线芯片产品。 表1 1c n 总线芯片产品 t a b l e l it h ep r o d u c t i o no fc a n - b u sc h i p 制造商产品型号功能特点 s j a l 0 0 0c n 通讯控制器，符合c a n 2 0 b 协议 p 8 7 c 5 9 18 0 c 5 l 微控制器坝n 2 0 b 通讯控制器+ l o 位a d + 刑 p 8 x i 强9 28 0 c 5 1 微控制器坝n 2 0 b 通讯控制器+ 1 0 位a d + 刑 p 8 2 c 1 5 0 带有数字模拟输入输出功能的c n 器件。可用于传感器和执 p h i l i p s 行机构，符合c 州2 0 a 协议 p c 8 2 c 2 5 0c a n 收发器 p c a 8 2 c 2 5 l c a n 收发器 t j a l 0 5 0 t j a l 0 4 0高速c a n 收发器，兼容并可代替p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 l 8 7 c 1 9 6 c c b 集成c a n 2 0 a c n 2 0 b 的1 6 位微控制器 i n t e l8 2 5 2 7 c n 2 0 8 通讯控制器，符合c a n 2 0 b 协议+ 两个8 位双向i 0 端口 p i c l 8 f 2 4 8 8 位微控制器+ c n 2 0 b 通讯控制器+ 1 6 k b 3 2 k bf 1 a s h 程序 p i c l 8 f 2 5 8 寄存器+ 7 6 8 b 1 5 3 6 8s r 枷+ 2 5 6 be 2 p r 伽+ i 0 “d + s p i + m i c r o c h i p p i c l 8 f 4 4 81 2 c + u r t p i c l 8 f 4 5 8 m c 6 8 i i c 9 0 8 z 6 0 a 8 位微控制器+ m s c n 控制器+ 6 l ( bf l a s h 程序寄存器+ 2 粕 m o t o r o l a s r 删+ l 胁酽p r 伽+ s c i s p i 串行接口“d + p 硼+ 定时器+ 5 2 根 i 0 线 n e c7 2 0 0 5 c a n 通讯控制器。符合c a n 2 o 2 0 b 协议 8 1 c 9 0 9 lc a n 通讯控制器，符合c n 2 o a 协议 s i e m e n 8 c 1 6 7 c 微控制器+ c a n 2 o a 2 0 b 通讯控制器 总的说来，c n 总线有强大的生命力，作为刚刚在国内兴起的技术手段，它 将随着现代科技的发展，以其独到之处，成为现场测控网络，乃至更广范围内控 制网络的明知选择 1 4 本文的研究内容 控制局域网c a n ( c o n t r 0 1 1 e ra r e a t 们r k ) 是2 0 世纪8 0 年代初德国b 0 s c h 第一章绪论 7 公司为解决众多的控制设备和测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通 讯协议。在c n 的技术规范2 0 b 中，只规定了数据链路层和物理层，没有规定 应用层。所以用户在设计通讯软件时，必须首先根据需求设计合适的c a n 总线通 讯协议，才能完成数据准确可靠的传输。目前，比较流行的c a n 高层协议有 c a n 0 p e n 、j 1 9 3 9 、d e v i c e n e t 等，这些高层协议都对c a n 应用层做了完整而详尽 的定义。然而在一些利用简单的通信协议就可以满足要求的情况下，采用复杂的 协议有时会造成资源浪费，用户在应用时也会觉得诸多不便，反而限制了c a n 的 灵活性，在实际应用中，设计者也可以根据需要自定义一个简单有效的协议实现 所要求的功能。本文在研究c a n 2 o b 规范的基础上，采用自定义协议的方案实现 了汽车车身c a n 总线网络的通讯。本论文的主要内容为： 分析汽车车身c a n 总线控制系统的基本原理 控制器局域网( c a n 。c o n t r 0 1 l e ra r e a t w 0 r k ) 是一种支持分布式实时控制 的串行通讯网络系统，具有很高的安全性，主要用于嵌入式控制器的通讯系统和 智能装置的开放式通信系统。c a n 总线有标准1 1 和扩展2 o 两个版本。标准c a n 的标志符长度是1 1 位，而扩展格式c a n 的标志符长度可达2 9 位。c a n 协议的2 0 a 版本规定c a n 控制器必须有一个l l 位的标志符。同时，在2 0 b 版本中规定，c a n 控制器的标志符长度可以是1 1 位或2 9 位。遵循c a n 2 o b 协议的c a n 控制器可以 发送和接收l l 位标识符的标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁 止c a n 2 o b ，则c n 控制器只能发送和接收且位标识符的标准格式报文，而忽略 扩展格式的报文结构，但不会出现错误。 ( d 结合车身网络需求和c n 总线技术研究汽车车身控制系统总体结构，规划各节 点的任务及节点间通信方式，并根据c a n 2 0 b 规范自定义符合汽车车身c n 控制 系统的高层协议 控制局域网c a n ( c t 酬【l e fa 他an e t w o d 【) 是2 0 世纪8 0 年代初德国b o h 公 司为解决众多的控制设备和测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯 协议。由于目前国内还没有c a n 通讯的应用层协议标准，故我们只能制定自己的 应用层协议标准，该标准制定的合理与否，直接关系到总线的传输效率、通用性 及将来的可扩展性。 根据协议对汽车车身控制系统进行硬件电路开发。 ( d 对汽车车身控制系统进行软件开发。编写程序实现节点间的通信过程，将程序 按基本功能划分为若干模块，提高程序的易读性、可复用性。 第二章c a n 总线的工作原理 第二章c a n 总线基本原理 2 1 引言 由于c a n 为愈来愈多不同领域所采用与推广，导致要求不同领域通信报文的标 准化，为此，p i l i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 于1 9 9 1 年制定并发布了c a n 技术( v e r s i 2 0 ) 该技术规范包括a 和b 两个部分。2 o a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定 义的c a n 报文格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。i s 0 于1 9 9 3 年正 式颁布了i s o l l 8 9 8 ，即道路交通运载工具数字交换高速通信控制器局域 网( c a n ) 国际标准。c a n 技术规范2 0 a 和2 o b 以及c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 是设计c a n 应用系统的基本依据，也是应用设计工作的基本规范。下面择要点作概要介绍。 2 2c a n 总线基本概念及电气特性”耵 控制器局域网( c a n c o n t r 0 1 1 e r r e a t 哟r k ) ，是由德国b 0 s c h ( 博世) 公司 在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制器与设备之间的数据交换而开发的一种 串行数据通信协议。由于其小巧、灵活、可靠、实时性强等特性，世界上许多著 名汽车制造商，如奔驰、宝马、保时捷、劳斯莱斯和美洲豹等都己开始采用c n 总 线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。c a n 的应用范围目 前已不再局限于汽车行业，而向机械工业、纺织机械、机器人、数控机床、医疗 器械及传感器等领域发展阍。 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n h 和c a n l ，这两根导线也就 是c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导 线交换数据。 总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压。和v 。的差值表示。该差分 电压v d i 河表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图2 1 所示。在“隐性” 状态下，差分电压，近似为o 。“显性”状态v d ，则大于一个最小值。在c a n 总线标 准通信协议中规定“显性”( d 锄i n a n t ) 表示逻辑“0 ”，而“隐性”( r e c e s s i v e ) 则表示逻辑“l ”。 当在总线上存在“显性”位和“隐性”位同时发送时，节点发送驱动电路的 设计使得总线数值表现为“显性”在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态( 即 逻辑1 ) 。在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节 点之间的同步。 c n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可在5 k b p s l 抽p s 之间选择，在 速率为5 l ( b p s 时传输距离可为达1 0 l 【m ，在速率为1 蜘p s 时的传输距离为4 0 m 。当然， 挂接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。 第二章c a n 总线的工作原理 9 。 均 电 压 ：一 电 孑 f i 9 2 1t h en u m e r i c 8 ld 伽o t a t i 伸o fc a n b u sv a l u e 2 3c a n 网络标准协议”羽 1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术规范包 括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而 2 o b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s 0 正式颁布了道路 交通运载工具一一数字交换一一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准 ( i s 0 1 1 8 9 8 ) 。c n 2 o a 中规定，帧标识必须是l l 位二进制数；c a n 2 o b 中规定，帧 标识既可以是1 1 位二迸制数( 称为标准标识) ，也可以是2 9 位二进制数( 称为扩展标 识) n 4 1 。 现在各半导体公司生产的c a n 控制器几乎都完全支持c a n 2 o b 规范，而2 明完 全兼容2 o a 。c a n 结构分为两层：物理层和数据链路层，因此，c a n 协议模型包括 两层：物理层协议和数据链路层协议，应用层协议是我们针对监控系统具体制定 实现的，其与o s i 参考模型对比如图2 2 所示。 应用层 表示层 会话层应用层 传输层 网络层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 o s i 参考模型c a n 协议参考模型 图2 2 洲网络协议模型与l 参考模型对照 f i 9 2 2t h e 蛐t “b e s e so f - o d e lo fc a np r o t o c 0 1 锄d0 s 1 第二章c a n 总线的工作原理 l o 根据i s o ( 国际标准化组织) 定义的o s i 模型，c a n 协议定义了物理层及数据链路 层规范，为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了便利。如果需 要建立更加完善的系统，还需要在c a n 的基础上选择合适的应用层协议。 应用层是指通讯功能的应用层。它并不定义和描述应用程序参数，它提供的 只是通讯功能与应用程序的通讯接口。包括：定义通讯服务、传送过程数据、诊 断信息及标定信息。设备监控和网络管理也一般定义为应用层的一部分，有的也 将传输层的部分内容纳入应用层实现，比如超过8 个字节的数据传输。 2 4c a n 协议的分层结构哪 c a n 网络是一种开放的串行通讯协议，它没有严格遵循国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互连的七层参考模型( 0 s i ) ，出于对实时性和降低成本等因素的考虑， c a n 总线只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层。c a n 总线规范规定 了任意两个c a n 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，为保证设计使 用的透明性及执行的灵活性，c a n 的分层结构和功能如图2 3 所示。 数据链路层 逻辑链路控制子层l l c 验收滤波 过载通知 恢复管理 介质访问控制子层姒c 数据包装解包 帧编码( 填充，消除填充， 介质访问管理 错误检侧 错误标定 应答 并行转换为串行串行转换为 物理层 位编码解码 位定时 同步 ( 驱动器接受器特性) 监控器 故障界定 ( m a c l h e ) 总线故障管理 ( p l s u 也) 图2 3 n 协议分层结构 f i 9 2 3l a y e r e d8 t r u c t t i r eo fc n b u sp r o t o l 物理层的主要内容是规定了通讯介质的机械、电气、功能和规程特性。在 第二章c a n 总线的工作原理 c a n 2 o a b 中对物理层的部分内容作了规定。而在i s 0 1 1 8 9 8 标准中的内容更加具 体，但没有指明通讯介质的材料，因此用户可以根据需要选择双绞线、同轴电缆 或光纤。物理层规定了c n 总线的电平为两种状态：。隐性”( 表示逻辑1 ) 和。显 性”( 表示逻辑0 ) ；而且还规定了通过特定的电路在逻辑上实现“线与”的功能。 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数 据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出 去：在接受到数据帧后，再把附加信息去掉，得到通讯数据。在通讯过程中，收 发双方都要对附加的控制信息进行判别，并作相应的处理，从而实现数据传输过 程中的流量控制、差错检测，保证数据的无差错传输“”。 c _ n 总线的数据链路层包括逻辑控制( l l c ，l o g i c a lf i l l l 【c o n t r 0 1 ) 子层和媒 体访问控制( 姒c m e d i a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。其中m a c 子层的主要功能是传输规则， 它是c a n 协议的核心，主要包括控制帧的结构、传输时的非归零( n r z ，n er e t l l n i t 0z e r o ) 编码方式、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定，同时还要确定 总线是否空闲或者能否马上接收数据。l l c 子层的主要功能是报文的滤波和c a n 总 线的物理层和数据链路层的功能在c n 控制器中完成。 2 5c a n 技术规范及报文传送嘲 在c a n 中报文是以帧为单位进行传送的，只有一帧数据所有位都没有出错，报 文才算正确传送，否则报文无效，必须重新发送和接收。 2 5 1c a n 的报文传输及其帧结构 在进行数据传输时，发出报文的单元称为该报文的发送器该单元在总线空 闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，则该单元为接收器 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而言， 如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允 许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争，总线一旦 空闲，重发送立即开始对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出 错，则对于接收器报文有效 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则进 行编码。当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动地在实际 发送的位流中插入一个补码。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不进行 填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充 报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方法编码，这意味着一个完整位的位电平 要么是显性，要么是隐性 第二章c a n 总线的工作原理 1 2 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标示符的数据帧；出错帧由 检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加 延迟。 数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、 数据场和帧结束。数据场长度可为0 。c a n 2 o a 数据帧的组成如图2 4 所示。 帧 帧间 结空 仲裁场， 控制场 l 数据撬c r 渤l 应答场i 束l 问 帧l i 位 ri 数据o _ 8 字1 5 位 起标识 td r o长度 节数 c r c 始符 re 据 图2 4 数据帧结构示意图 f i 9 2 4s t r u c t u r eo fd a t af r o 总线 空闲 在c a n 技术规范2 0 a 中规定了标准数据帧的格式( s f f ) ，而在2 o b 中则规定了 两种格式；标准格式( s f f ) 和扩展格式( e f f ) 。其主要区别在于标示符的长度， 具有l l 位标示符的帧称为标准帧，而包括2 9 位标示符的帧称为扩展帧。标准格式 和扩展格式的数据帧结构如图2 5 所示。 标准格式 l 竺苎兰。l 兰竺兰i 竺竺兰 扩展格式 仲裁场控制场 数据场 s1 1 位s i 1 8 位 rr r o 标识 rd 标示 t1od l c f 符 re 符 r 图2 5 标准和扩展格式数据帧 f i 9 2 5t h e8 t a n d a r da n dp a t u l o u sf o r - a td a t 8f r a - e 8 第二章c a n 总线的工作原理 上面图2 4 中每部分的含义如下： 帧的起始场( s o f ) ： 该场表示一个数据帧或远地帧的开始，它由一个显性组成，该显性用于接收 状态下的c a n 控制器的硬同步。 仲裁场： 由信息标识符及r t r 位组成，当有多个c n 控制器同时发送数据时，在仲裁场 要进行面向位的冲突裁决。 标识符由1 l 位组成，用于提供信息地址及优先级。其发送顺序为i d 1 0 至i d 0 ( l s b ) 需要注意的是，其最高七位( id 1 0 至i d 4 ) 均为隐性的现象不允许出现。 i d 决定了报文的优先权，i d 的数值越小，优先级越高。这一点可以从c a n 总线 的物理特性理解。当总线上有几个节点同时需要发送数据，其i d 标识符分别为 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 l 、0 1 0 0 1 1 1 1 1 l l 和0 1 1 1 1 1 1 l l l l ，如图2 6 所示，当发送id 1